基于键合图理论的磨浆过程建模优化及故障诊断研究

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1、论文分类号：２学校代码：１０７０８１学号：５０６０２２龜换蚤＃搖ＡｆＳＨＡＡＮＸｆＯＯＩＵＮＩＶＥｆｔＳＩＴＹＯＦＳＣ１ＥＮＧＥ＆ＴＥＣＨＮＬＧＹ硕士学位论文’ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ基于键合图理论的磨浆过程建模优化及故障诊断研究佘都指导教师姓名：李茜教授学科名称：控制科学与工程论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：基于键合图理论的磨浆过程建模优化及故障诊断研究学科门类：

2、工学一级学科：控制科学与工程培养单位：陕西科技大学硕士生：佘都导师：李茜教授2018年5月ResearchonModelingOptimizationandFaultDiagnosisofRefiningProcessBasedonBondGraphTheoryAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByDu

3、SheSupervisor:Prof.QianLiMay2018基于键合图理论的磨浆过程建模优化及故障诊断研究摘要随着国民生活水平的提高，消费者对生活用纸不仅在需求上日益增大，而且对质量要求也越来越高。同时对于生活用纸而言，还有“三分造纸，七分打浆”之说。面对庞大的市场需求，为了顺应低碳经济的发展模式，在确保成浆质量的前提下，如何提高磨浆产量、降低能耗是企业迫切需要解决的问题。实际生产过程中，当磨浆系统发生故障时，不但磨浆质量会受到直接影响，甚至还会导致磨浆机碰刀等严重事故，因此磨浆系统故障诊断也是一个重要的研究课题。本文在陕西省重

4、点科技创新团队计划项目（2014KCT-15）的资助下，以河北某生活用纸厂制浆过程DCS为研究对象，采用键合图理论围绕磨浆过程建模、优化及故障诊断等内容进行了深入研究。论文的主要内容可总结为以下四个方面。（1）磨浆系统键合图模型的建立与仿真通过对真实磨浆系统的分析，利用键合图理论从能量传递的新视角出发，对磨浆机主电机、主轴和动定盘的本质及各元件及其之间的的因果关系进行了分析，并建立了磨浆系统的键合图模型，推导出了系统状态方程。在20-sim仿真软件中对磨浆系统做了仿真和分析，为后续磨浆过程优化和磨浆机故障诊断研究打下了基础。（2）磨

5、浆过程多目标优化模型的建立及求解根据磨浆工艺流程建立了以磨浆质量、磨浆产量和磨浆能耗为优化目标的磨浆过程数学模型，并提出了采用编程简单、易实现、可移植性好的蚁群优化算法对模型进行求解。针对基本蚁群算法存在早熟易收敛等缺点，对基本蚁群算法进行了改进，并利用改进后的蚁群算法在MATLAB中对多目标函数进行求解，从而获得了最优生产工艺参数。（3）基于故障树的磨浆系统故障诊断及仿真验证在磨浆系统键合图模型的基础上，推导出了磨浆系统的因果关系图，并建立了磨浆系统的故障树模型。根据故障树模型中各故障状态，并结合时间因果图进行前向推理，生成所有可

6、能导致故障的原因，最后通过仿真对系统参量进行故障前后监测，仿真结果与故障假设推理结果一致，从而证明本文所提出的故障诊断方法的可行性和正确性。（4）磨浆过程控制系统的设计与实现给出了恒打浆度串级控制方案，设计出了磨浆机顺序启动、顺序停止及I联锁保护方案。并以S7-400PLC为核心，在PCS7软件开发平台完成了磨浆过程DCS的开发，实现对制浆生产线的控制。最终利用OPC技术实现了MATLAB与WinCC变量之间的交换，将优化出来的工艺参数应用于实际制浆生产过程，取得了良好的磨浆控制效果。综上所述，本文在对磨浆系统键合图模型仿真分析的基

7、础上，建立了磨浆过程多目标数学模型，然后采用蚁群优化算法对多目标数学模型进行了求解，获得了磨浆过程最优生产工艺参数，并在磨浆系统键合图模型的基础上，完成了对磨浆机的故障诊断研究。实际应用结果表明：通过本文方法得到的磨浆浓度、进浆流量和磨浆功率参数在磨浆过程DCS中不仅可获得稳定的打浆度，而且磨浆产量提高了5.9%，吨浆能耗降低了2.3%，收到了良好的优化控制效果。关键词：磨浆系统，键合图理论，多目标优化模型，蚁群优化算法，故障诊断IIResearchonModelingOptimizationandFaultDiagnosisofR

8、efiningProcessBasedonBondGraphTheoryABSTRACTWiththeimprovementofpeople'slivingstandards,consumersnotonlyonthedemandfo